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Produção de fusão do processo MIG/MAG
(Welding rate in GMAW Process)
Erick González Olivares, Guilherme de Santana Weizenmann, Diego Costa Correia Silva, Alberto
Bonamigo Viviani
Universidade Federal de Santa Catarina, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica –
POSMEC, LABSOLDA, Florianópolis, Santa Catarina
Resumo
O objetivo deste trabalho é comparar a diferença entre a taxa de fusão teórica com a taxa de fusão obtida na soldagem do aço carbono, considerando as áreas adicionada e fundida da peça. A taxa de fusão obtida pelo método das áreas possibilita o cálculo da eficiência do processo sem a utilização de um calorímetro. Além disso, analisar os efeitos da queda de tensão anódica para com a taxa de fusão. Foram feitos seis ensaios em chapas de aço SAE 1020 com 3/8” de espessura em posição plana, com gás de proteção com 8% de CO2 no argônio. Os níveis de corrente utilizados foram 250 A e 280 A. Os resultados amostram que existe uma relação inversamente proporcional entre a corrente media e a eficiência do processo, a qual pode-se dever ao tipo de transferência metálica. Além, a maior potência a taxa de fusão real do processo tende a diminuir.
Palavras-chave: Taxa de fusão, Eficiência térmica, GMAW.
1. Introdução
O processo MIG/MAG pertence aos processos de soldagem por fusão, amplamente utilizado na
indústria. Frequentemente melhorias são buscadas nestes processos, objetivando principalmente redução
nos custos de produção e aumento da produtividade, sem prejudicar a qualidade das soldas resultantes.
Em soldagem de uma forma geral, existe uma grande tendência em se dar importância somente ao rendimento térmico dos processos de soldagem ( ), que é a razão entre o calor transferido para o material ηt a ser soldado ( ) e a energia elétrica fornecida pela fonte de soldagem [1]. Tal equacionamento pode ser Ecal representado pela Equação 1, sendo o calor imposto obtido através de um calorímetro [2].
ηt =E cal
tn
·U∑n
i=1Ii i
(1)
Quanto menor o valor da ηa, maior é a perda energética do processo, sendo que as principais
fontes de perda são evaporação de material metálico, radiação luminosa, condução e convecção para o ambiente e partes da tocha de soldagem [2].
Porém, da parcela de energia fornecida para o substrato, apenas uma porção é usada para produzir a zona fundida, enquanto a restante é perdida no metal base adjacente à zona de fusão através de transferência de calor por condução, como pode ser visto na Figura 1. A energia perdida no metal de base fora da zona de fusão, contribui à formação da zona afetada pelo calor (ZAC) e ao aquecimento do metal de base fora da ZAC acima da temperatura ambiente [referência?]. Assim, para casos em que se busca o aumento de produtividade, o rendimento de fusão ( , que relaciona o calor que realmente foi usado para )ηf
fundir material com a energia imposta, é de suma importância [1]. Tal relação pode ser expressa na forma da Equação 2, onde é a entalpia de fusão ( , é a área fundida medida na seção transversal (mm2) Q mm³ ) J / Am
e V é a velocidade de soldagem (mm/s).
ηf =QA Vm s
tn
·U∑n
i=1Ii i
(2)
Figura 1 – Ilustração esquemática da distribuição de energia no processo de soldagem
Fonte: adaptado de [DuPont e Marder]
2. Materiais e métodos
1. Fonte de soldagem
A fonte utilizada para fazer os ensaios foi a IMC DigiPlus A7 450 (Figura 2), com capacidade de
450A e fator de carga de 100% a 280A. Esta é uma fonte multiprocessos, capaz de operar com os processos
de soldagem MIG/MAG, TIG, Arco Submerso ou Eletrodo revestido.
Figura 2 – Fonte de Soldagem IMC DigiPlus A7 450
Fonte: IMC – Engenharia de Soldagem
2. Sistema de aquisição
Para a aquisição de dados foi utilizado o SAP-4 (Figura 3), um sistema de aquisição especial
dedicado para soldagem, com o qual foram obtidos corrente, tensão, velocidade de arame, potência e seus
respectivos oscilogramas.
Figura 3 – Sistema de aquisição de dados SAP-4 da IMC
Fonte: IMC – Engenharia de Soldagem
3. Plano de ensaios
Inicialmente, para o primeiro ensaio, foi procurado um parâmetro de tensão e velocidade de arame
que resultassem em corrente média de 250A e um arco de aproximadamente 10mm de comprimento. A
tensão então foi reduzida gradualmente, mantendo-se a velocidade de arame, até encontrar um arco de
aproximadamente 5mm, para o segundo ensaio, e o mais curto possível desde que mantendo o processo
estável, para o terceiro ensaio. O mesmo procedimento foi realizado a partir do parâmetro que resultasse em
280A para os mais três ensaios.
Na Tabela 1 encontram-se os parâmetros em comum para todos os ensaios, e na Tabela 2, estão
os parâmetros para cada altura de arco procurada.
Tabela 1- Parâmetros comuns para os ensaios
Parâmetros ValoresEletrodo ER70S6Gásdeproteção Ar+25%CO2DBCP 20mmVelocidadedesoldagem 1,2m/min
Tabela 2- Parâmetros para cada nível de tensão
EnsaioTensãoreguladana
fonte[V]Velocidadedearame
[m/min]1 35 7,52 23
3 314 38 8,55 236 33
Com todos parâmetros definidos foram feitos ensaios em chapas de aço estrutural de 9,5mm de
espessura limpas através de esmeril. Cada ensaio foi realizado em uma peça diferente, com a finalidade de
não ocorrerem influências causadas pelas diferenças de temperatura no início de cada processo.
4. Medição das áreas
Para fazer a análise das seções transversais dos cordões de solda, foi utilizado o software
AutoCAD 2012. Na Figura 4 pode-se apreciar a nomenclatura utilizada para os cálculos de taxa de fusão,
onde o reforço é considerado como área adicionada (Aadi) e a região de mistura entre o material base e o
adicionado é considerado como área fundida (Af), para o cálculo de taxa de fusão real foi considerada a
área resultante da soma das duas.
Figura 4 – Análise geométrica de macrografia
5. Cálculos
A mesma relação da Equação 1 pode ser obtida dividindo-se a taxa de fusão real (Equação 4), calculada por meio da avaliação do corpo de prova do cordão, pela taxa de fusão teórica (Equação 3), que seria a taxa de fusão ideal caso não houvessem perdas.
[g h] T t = PH / (3)
V ρ [g h] T r = Af s / (4)
ηf = T t
T r (5)
Densidade do aço: 7850 kg/m3.
A entalpia de fusão do aço utilizada foi de .0, J mm³∴0, 7 Wh g 5 / 3 /
Dividindo-se a área do reforço (Aadi) pela área total do cordão chega-se ao percentual de material
fundido proveniente do eletrodo , representado na Equação 6.)(ηe
ηe =Aadi
A +Aadi f(6)
Considerando que o material fundido do eletrodo ( ) é dependente da potência gerada na Aadi
conexão do arco com o mesmo, é possível estimar a tensão anódica média ( ) pela Equação 7.Ua
ηUa = ηe f n
∑n
i=1U i
(7)
Onde é a queda de tensão anódica e é tensão instantânea do arco elétrico.Ua U i
3. Resultados e discussões
Na Tabela 3.1 são apresentados os dados obtidos através da análise das macrofias feitas nos
ensaios. Pode-se apreciar que a taxa de fusão teorica do processo (Tt), aumenta a maior seja a corrente
media. Embora, a eficiencia do processo diminua quando a corrente média aumenta. Aquele
comportamiento da eficiencia do processo, pode-se dever ao tipo de transferencia metalica. Na Figura 6 é
apreciavel que para o ensaio 1 houve uma maior quantidades de curtos circuitos, em comparação com o
ensaio 3. O mesmo comportamento é evidenciado para os ensaios com velocidades de arame de 8 m/min.
Tabela 3.1 - Dados obtidos das amostras dos ensaios feitos.
EnsaioAadi
[mm2]
Af
[mm2]
Um
[V]
Im
[A]
P
[kW]
Tt
[kg/h
]
Tr
[kg/h
]
Te
[kg/h
]
ηp ηe
Ua
[V]
1 7,71 3,84 31,9 272 8,7 23,5 6,5 4,4 0,28 0,67 5,92
2 7,18 5,41 27,9 260 7,3 19,6 7,1 4,1 0,36 0,21 5,78
3 5,77 3,10 17,5 222 3,8 10,3 5,0 3,3 0,55 0,36 5,55
4 8,16 5,26 35,3 294 10,4 28,0 7,6 4,6 0,27 0,17 5,81
5 7,93 4,59 29,5 270 8,0 21,5 7,1 4,5 0,33 0,21 6,15
6 6,60 3,54 19,9 245 4,9 13,2 5,7 3,7 0,43 0,28 5,66
Aadi: área adicionada; Af: área fundida; Um: tensão media; Im: corrente média; P: potência; T t: taxa de fusão teórica; T r: taxa
de fusão real; T e: taxa de fusão do eletrodo; ηp: eficiência do processo; ηe: percentual de material fundido do eletrodo; Ua:
queda de tensão anódica.
Figura 5 – Oscilogramas dos ensaios realizados
Em ambos os níveis de velocidade de alimentação de arame, a menor eficiência do arco foi atingida
para a maior tensão média regulada. Como a tensão esta diretamente relacionada com o comprimento do
arco, pode-se dizer que quanto maior o comprimento do arco, maiores são as perdas para o ambiente. Outro
efeito a ter em consideração com respeito ao comprimento do arco é a área que o arco tem sobre o
substrato, onde para colunas de arco mais compridas a área é maior, resultando uma densidade de energia
menor sobre a peça.
Na Figura 5, pode-se apreciar os oscilogramas de corrente e tensão coletados durante os seis
ensaios realizados. A variação da corrente e da tensão nos ensaios com maiores comprimentos de arco
(ensaios 1, 2, 4 e 5) mostrou-se muito pequena, com ausência de curtos-circuitos, indicando transferência
metálica em voo livre. Os gráficos dos ensaios 3 e 6, onde o comprimento de arco era mínimo, revelam a
transferência metálica por curto-circuito como predominante. Em todos os seis ensaios o processo de
soldagem foi estável nos períodos de aquisição dos oscilogramas.
Com respeito a queda de tensão anodica pode-se dizer que as melhores eficiências de arco foram
para as menores tensões de queda anodica, tanto para o patamar de corrente de 250A e 280A. Enquanto a
taxa de fusão real (Tr) aumenta conforme a queda tensão cresce.
4. Conclusões
● Os valores de eficiência do processo calculadas através dos ensaios, foram próximos aos
que podem ser encontrados na literatura. Haverá diferenças dependendo dos diferentes
condições de transferência de calor com o ambiente.
● Com respeito à taxa de fusão real, pode-se verificar que a maior potencia não implica que
taxa será maior.
● Pode-se dizer que a corrente media é inversamente proporcional à eficiência do processo.
O que pode-se dever ao tipo de transferência metálica.
● Os métodos utilizados para os cálculos da taxa de fusão e a eficiência do processo,
resultam ser uma forma pratica e rápida para calcular aqueles fatores, sem precisar de
equipamento especifico de medição.
5. Referências
[1] SCOTTI, A., PONOMAREV, V. Soldagem MIG/MAG: melhor entendimento, melhor desempenho.
Artliber Editora, São Paulo 2008, p. 78-79.
[2] SCHEDERSKI, M.; DUTRA, J.C.; Um estudo da eficiência e produtividade dos principais processos de
soldagem a arco. Trabalho de dissertação, Universidade Federal de Santa Catarina, Agosto 2011.